高轉速條件下CVT金屬片強度及磨損分析

摘要：【目的】金屬帶式無級變速器（Continuously Variable Transmission， CVT）在高轉速條件下運行時，其各零部件間受力關系復雜，當轉速超過8 000 r/min 時，金屬片容易發生磨損，導致CVT使用壽命急劇下降。研究高轉速條件下金屬帶金屬片強度及磨損，對CVT在電動汽車應用及發展具有重要意義。【方法】建立高轉速條件下金屬帶的力學模型，利用Ansys Workbench 軟件仿真分析了不同速比、轉速等因素對金屬片應力、磨損的影響，并通過模擬試驗加以驗證。【結果】結果表明，高轉速下金屬片應力隨速比增大而增大，金屬片側面磨損隨而增大。

關鍵詞：CVT；金屬片；磨損；應力

中圖分類號：U469 DOI： 10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 017

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隨著環境污染加劇、全球性能源危機日趨嚴重，國際社會對汽車的燃油經濟性和排放要求越來越高，發展電動汽車技術迫在眉睫[1]。目前，市面上絕大多數的電動汽車使用的是減速器或單級變速器，存在電動機體積大、能耗高、低效率階段升溫快、中高速階段加速性能差以及節能、續航性能差等問題[2-3]， 而金屬帶式無級變速器（ContinuouslyVariable Transmission， CVT）具有經濟性、動力性及舒適性等優點，為電動汽車搭載CVT，可將電動機性能發揮到最佳[4]。

金屬帶是金屬帶式CVT的關鍵核心部件。早在19世紀末，國外學者就對金屬帶式CVT及金屬帶展開了大量的研究。NARITA等[5]通過試驗對金屬片與帶輪之間的摩擦特性進行了研究，結論表明，轉速越高，金屬片與帶輪之間的磨損越嚴重，嚴重影響金屬帶式CVT的傳動效率。KANEHARA等[6]對金屬片與金屬片、金屬片與帶輪以及金屬片與帶環之間的受力狀況進行了研究分析，研究表明，CVT在傳動過程中，金屬帶受力十分復雜，各零部件之間的磨損嚴重影響了CVT的傳動效率。國內學者對CVT及金屬帶也展開了大量的研究。李磊等[7]利用Abaqus軟件對金屬片進行了靜力學仿真，結果表明，在金屬片鞍面、底部圓弧槽內以及金屬片側面出現應力集中，這也是金屬片最先發生磨損的地方。孫冬野等[8]利用Ansys軟件對CVT 金屬片進行了仿真分析，云圖顯示，在金屬片鞍面圓弧槽、底部圓弧槽內以及金屬片側面出現了應力集中，這是導致金屬片破壞的主要原因之一。安穎等[9]根據CVT夾緊力控制策略對CVT可靠性的要求，設計了CVT耐久性測試試驗臺，結果證明，黏著磨損是由金屬片側面與帶輪錐面之間發生滑移時所產生的，容易導致CVT失效。張武等[10]采用Ansys軟件對帶輪變形進行了分析，帶輪變形會導致金屬帶偏移，從而使CVT各零部件間發生磨損，縮短了CVT的使用壽命。

綜上所述，當前對CVT的研究，主要集中在中、低速下（≤6 500 r/min）CVT的動力學等方面。據試驗可知，CVT傳動過程中，帶輪、帶環及金屬片相互之間受力情況十分復雜，尤其是當轉速超過8 000 r/min，CVT金屬帶會出現帶環斷裂、金屬片磨損嚴重等問題。因此，針對電動汽車電動機高轉速的特點，研究高轉速條件下金屬帶金屬片強度及磨損，對CVT在電動汽車應用及發展具有重要意義。